Twin-photon generation in a silicon nitride microresonator
本文通过在氮化硅微腔中利用逆四波混频过程，首次实现了频率简并的双光子源的制备，同时展示了其通过单集成平台上的自发四波混频作为高纯度预报单光子源的能力。
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光不仅仅是让我们看见事物的媒介；在量子技术领域，它是构建未来计算机和通信网络的基础工具。为了让这些技术发挥作用，科学家需要以非常特定、受控的方式产生光。他们通常需要被称为“光子”的单个光粒子来充当信息载体。有时，他们需要两个完全相同、在各方面都与另一个无法区分的光子，以进行复杂的计算或创建安全代码。多年来，研究人员一直能够使用由镜片和透镜组成的庞大且脆弱的实验室设备来制造这些特殊的光粒子。然而，为了将这些技术从实验室转移到现实世界的设备中，科学家需要将它们缩小到微小的计算机芯片上。其中一种最有前途的材料是氮化硅，这是一种坚硬、透明的陶瓷，可以被蚀刻成芯片上的微观环结构。这些环就像光的陷阱，将光困在一个紧密的圆圈中，使其可以与自身发生相互作用以产生新的粒子。
一支研究团队现在已经证明，这种材料制成的单个芯片可以根据输入光的方式同时完成两项不同的工作。在一项新的研究中，他们展示了通过向一个微小的氮化硅环中射入两束不同的激光，可以迫使光发生合并并创造出一对完全相同的“双胞胎”。他们将这个过程称为“逆四波混频”，即通过结合来自不同颜色的两个光子，产生两个完全相同的全新光子。研究人员测量了这些双生对出现的频率与随机出现的频率之比，在最佳设置下，该比例达到了5.4比1。这证明该芯片成功生成了这些相同的配对，这一成就此前在该特定类型的芯片上尚未实现。
然而，同一个微型环也可以用于做稍微不同的事情。如果研究人员向环内只射入一束激光而不是两束，该设备就会切换模式，开始产生彼此不同的光子对。在这种设置下，一个光子充当信号来宣布其伙伴的到来，从而有效地创造了一个可靠的按需单光子源。团队测试了这种模式，发现其产生的单光子具有极高的质量，纯度分数为0.67，且其以“成簇”形式出现的程度极低。这意味着该设备非常擅长确保当检测到一个光子时，它确实是一个独立的粒子而非一组粒子。
这项工作的意义在于该设备的通用性。通过简单地改变泵浦方案——即从一束激光切换到两束激光——研究人员可以在产生完全相同的双生光子与产生预报单光子之间进行切换。这种在同一个集成平台上实现双重能力的技术，是该领域迈出的重要一步。它表明未来的量子设备可以由更少的组件构建，因为一个芯片就可以处理多种类型的光生成任务。研究人员通过将双泵浦设置的结果与单泵浦测试进行对比，确认了双生光子的产生确实是由两个泵浦的相互作用引起的，而非随机噪声或其他效应。他们还指出，虽然目前的结果很强，但通过更高质量的环和更稳定的激光器，性能还可以进一步提升。
这一成就桥接了两种不同的方法。双生完全相同光子的产生是连续变量量子协议的关键要素，这类协议利用光的波动特性来处理信息。与此同时，产生高纯度单光子的能力则支持了离散变量协议，这类协议依赖于对单个粒子的计数。通过展示在同一块氮化硅芯片上可以实现这两者，该研究将这种材料定位为下一代量子技术的通用基础。这项工作并不声称已经解决了构建量子计算机的所有挑战，但它提供了一个具体的、可行的范例，展示了如何在可扩展的集成平台上生成所需的光态。团队利用高效率探测器测量这些效应的成功，证实了其物理原理是可靠的，并且通往更复杂、基于芯片的量子系统之路正变得更加清晰。
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